弹簧设计、材料及加工技术的发展

HEATS · 发表于 2010-10-22 00:11:06

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　　在机电产品中，用量最大的弹簧主要有三大类：

　　1)以汽车为主的机动车辆弹簧；

　　2)以日用电器为主的电子产品弹簧；

　　3)以摄像机、复印机和照相机为主的光学装置弹簧。

　　机动车辆弹簧主要是向高强度方向发展，以减轻质量；电子产品弹簧主要是向小形化方向发展；而光学装置弹簧主要向着既要高强度化又要小形化方向发展。相应的弹簧设计方法材料和加工技术等方面均有所发展。

　　一、弹簧设计的发展

　　目前，广泛应用的弹簧应力和变形的计算公式是根据材料力学推导出来的，若无一定的实际经验，很难设计和制造出高精度的弹簧。随着设计应力的提高，以往的很多经验不再适用。例如，弹簧的设计应力提高后，螺旋角加大，会使弹簧的疲劳源由簧圈的内侧转移到外侧。为此，必须采用精密的解析技术，当前应用较广的方法是有限元法(FEM)。

　　车辆悬架弹簧的特征是除足够的疲劳寿命外，其永久变形要小，即抗松弛性能要在规定的范围内，否则将发生车身重心偏移。同时，要考虑环境腐蚀对其疲劳寿命的影响。随着车辆保养期的增大，对永久变形和疲劳寿命都提出了更严格的要求，为此必须采用高精度的设计方法。有限元法可以详细预测弹簧应力对疲劳寿命和永久变形的影响，能准确反映材料对弹簧疲劳寿命和永久变形的关系。

　　近年来，弹簧的有限元法设计方法进入实用化阶段，出现了不少有实用价值的报告，如螺旋角对弹簧应力的影响；用有限元法计算的应力和疲劳寿命的关系等。

　　另外，在弹簧的设计过程中还引进了优化设计。弹簧的结构较为简单，功能单纯，影响结构和性能的参变量省，所以设计者很早就运用解析法、图解法或图解分析法寻求最优设计方案，取得了一定成效。随着计算技术的发展，利用计算机进行非线性规划的优化设计，取得了成效。

　　可靠性设计是为了保证所设计的产品的可靠性而采用的一系列分析与设计技术，它的任务是在预测和预防产品可能发生故障的基础上，使所设计的产品达到规定的可靠性目标值。是传统设计方法的一种补充和完善。弹簧设计在利用可靠性技术方面取得了一定的进展，但要进一步完善，需要数据的开发和积累。

　　随着弹簧应用技术的开发，也给设计者提出了很多需要注意和解决的新问题。如材料、强压和喷丸处理对疲劳性能和松弛性能的影响，设计时难以确切计算；要靠实验数据来定；又如按现行设计公式求出的圈数，制成的弹簧刚度均比设计刚度值小，需要减少有效圈数，方可达到设计要求。

　　二、弹簧材料的发展

　　弹簧应用技术的发展，对材料提出了更高的要求。主要是在高应力下的提高疲劳寿命和抗松弛性能；其次是根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。为此，弹簧材料除开发了新品种外，另外严格控制化学成分，降低非金属夹杂，提高表面质量和尺寸精度等方面也取得了有益的成效。

　　1.合金钢的发展气门弹簧和悬架弹簧已广泛应用Si-Cr钢。为了提高疲劳寿命和抗松弛性能，在Si-Cr钢中添加V、Mo。同时开发了Si-Cr拉拔钢丝，其在高温下工作时的抗松弛性能，比琴钢丝好。随着发动机高速小型化，抗颤振性能好、质量轻、弹性模量小的Ti合金得到了较为广泛的应用，其强度可达2000Mpa。

　　2.不锈钢丝的发展

　　1)奥氏体组织不锈钢丝强度比铁素体组织的好，其耐蚀性也优于马氏体组织，因面应用范围不断扩大。

　　2)低温拔丝或低温氮化拔丝可提高钢丝强度。马氏体受热时组织不稳定，而在低温液体氮中拔丝能形成隐针状马氏体，可获得热态高强度。此种钢丝在美国和日本已有不少应用，但目前只能处理1mm以下的钢丝。

　　3)电子设备中的精密弹簧要求非磁性，此种钢丝在拉拔加工时，不能生成隐针状马氏体。为此要添加N、Mn、Ni等元素。为了满足这方面的需求，美国开发了AUS205(0.15C-17Cr-1Ni-15Mn-0.3N)和YUS(0.17C-21Cr-5Ni-10Mn-0.3N)。由于Mn的含量增加，加工中不会生成隐针状马氏体。经固溶处理，强度可达2000Mpa，疲劳性能高，优于SUS304。

　　3.提高材料纯度对高强度材料，严格控制夹杂，提高纯度以保证其性能。如气门弹簧材料的含氧量，目前已达20×10ˉ6发展。

　　4.改善表面质量材料表面质量对疲劳性能影响很大。为了保证表面质量，对有特殊要求的材料采用剥皮工艺将表层0.1mm。对0.5mm深度的缺陷采用涡流探伤。对拔丝过程表面产生的凹凸不平，可用电解研磨，使表面粗糙降到Ra=6.5～3.4μm。

　　5.电镀钢丝的发展在特殊情况下，除要求弹簧特性外，还要求耐蚀、导电等附加性能，大多均采用电镀工艺解决。部分不锈钢丝和琴钢丝的耐蚀性能相当于镀锌的耐蚀性能，若再镀一层ZnAl(5%)的合金，则耐蚀性可提高约3倍。对电阻性能有要求的不锈钢丝或琴钢丝，钢丝直径小于0.4mm的可镀铜，大于0.4mm的可采用内部是铜，外部是不锈钢材料。一般琴钢丝镀5μm厚的Ni，可提高其导电性。

　　一般来说，能使材料表面硬化形成剩余应力的工艺(如喷丸强化和表面氮化等)均可提高疲劳强度。目前正在研究非电解镀Ni，通过加热(300～500℃)可将7%的P以PNi析出,可提高维氏硬度达HV500。喷丸后，若在300℃以下加热镀Ni，亦可提高硬度10%。

　　6.形状记忆合金的开发目前在弹簧方面有应用前途的单向形状记忆合金，以50Ti-50Ni性能最好。形状记忆合金制成的弹簧，受温度的作用可伸缩。主要用于恒温、恒载荷、恒变形量的控制系统中。由于是靠弹簧伸缩推动执行机构，所以弹簧的工作应力变化较大。

　　7.陶瓷的应用陶瓷的弹性模量高，断裂强度低，适用于变化不大的地方。目前正在开发的有耐热、耐磨、绝缘性好的陶瓷；应用的有超塑性锌合金(SPZ)，在常温下具有高的强度。另外，还有高强度的氮化硅，能耐高温，可达1000℃。但陶瓷弹簧不适用于在冲击载荷下工作。

　　8.纤维增强塑料在弹簧中的应用玻璃纤维增强塑料(GFRP)板弹簧在英、美和日本等国已广泛应用，除用于横置悬架外，还可用于特殊轻型车辆，如赛车的纵置悬架。目前又研制成功了碳素纤维增强塑料(CFRP)悬架弹簧，比金属板簧要轻20%。

　　三、弹簧加工技术的发展

　　目前，机械弹簧的加工设备和加工生产线向着数控(NC)和计算机控制(CNC)化的深度和广度发展。但随着弹簧材料和几何形状的变化，加工工艺亦有发展。

　　1)变弹簧外径、变节距和变钢丝直径(三变)悬架弹簧实现了无模塑性加工。自三变弹簧开发以来，一直采用锥形钢棒在数控车床上卷绕加工，但成品北和价格均不理想。现必为加热状态下通过卷簧机，控制轧辊速度和拉拔力，获得所需要的锥体形状，并用加工余热进行淬火。

　　2)中空稳定弹簧杆采用低碳硼钢板，卷制焊接成形。

　　3)扭杆采用高纯度的45钢，经高频淬火获得表面的高硬度和较大的剩余压缩应力，从而提高疲劳寿命和抗松弛能力。

　　4)电子产品广泛应用的片弹簧基本上采用冲压和自动弯曲加工成形。目前主要是发展复合材料的接合技术。

　　5)气门弹簧主要发展多级喷丸和液体氮化工艺，以改善表面剩余压应力，提高疲劳寿命。

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